Chế tạo cảm biến điện hóa từ vật liệu nano-carbon nhằm xác định chất tạo nạc trong thực phẩm

Trong đề xuất này chúng tôi xây dựng quy trình chế tạo cảm biến điện hóa có độ nhạy cao dựa trên hệ vật liệu nano-carbon nhằm phát hiện salbutamol trong các mẫu thịt hoặc nước tiểu động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIấN

đại học k h

a h

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIấN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

Tờn đề tài: Chế tạo cảm biến điện húa từ vật liệu nano-carbon nhằm xỏc định chất tạo nạc trong thực phẩm

Mó số đề tài: TN.18.12

Chủ nhiệm đề tài: CN.Phạm Thị Hoa

Hà Nội, thỏng 6 năm 2019

1

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Chế tạo cảm biến điện hóa từ vật liệu nano-carbon nhằm xác định chất

tạo nạc trong thực phẩm

2 Mã số: TN.18.12

3 Danh sách các cán bộ thực hiện đề tài:

Trường ĐHKHTN

Chủ nhiệm

Trường ĐHKHTN

Tham gia

4 Đơn vị chủ trì thực hiện: Trường Đại học khoa học Tự Nhiên-ĐHQG Hà Nội

5 Thời gian thực hiện:

5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 6 năm 2018 đến tháng 6 năm 2019

5.2 Thực hiện thực tế: từ tháng 6 năm 2018 đến tháng 6 năm 2019

6 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 25 triệu đồng

7 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có)

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện;

nguyên nhân; ý kiến của Trường ĐHKHTN)

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Viết theo cấu trúc một bài báo khoa học tổng quan từ 6-15 trang, nội dung gồm các phần:

1 Đặt vấn đề:

Việt Nam là nước đang phát triển, đời sống vật chất ngày càng đầy đủ

hơn nhưng nỗi lo về an toàn thực phẩm luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của các gia đình cũng như các cơ quan chức năng, đặc biệt tại các thành phố lớn Việc lạm dụng các chất tạo nạc trong thực phẩm đang ở mức báo động và một trong những chất được dùng phổ biến nhất hiện nay đó là chất Salbutamol Do đó nhu cầu về cảm biến thực phẩm để phát hiện nhanh sự có mặt của các chất cấm trong thực phẩm, đặc biệt trong thịt là

rất cần thiết

2

Salbutamol là một chất được sử dụng trong điều trị bệnh hen suyễn ở người Tuy nhiên, chất này cũng thường bị lạm dụng đưa vào trong thức

ăn của các vật nuôi lấy thịt như lợn, bò hoặc gà bởi vì salbutamol có khả năng kích thích sự tăng trưởng và giảm sự tích lũy mỡ Tuy nhiên, chỉ cần một lượng nhỏ đi vào cơ thể con người qua đường mũi (các loại xịt bị cấm dùng trong thể thao) hoặc thức ăn thì cũng gây ra những hậu quả tai hại cho sức khỏe con người như nhiễm độc cấp tính qua biểu hiện run rẩy, tăng nhịp tim, nôn mửa, bồn chồn lo lắng và ớn lạnh Do những tác dụng phụ quá nguy hiểm với sức khỏe con người, nên các loại thuốc chứa salbutamol hoàn toàn bị cấm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Để phòng tránh sự sử dụng sai mục đích của salbutamol, sẽ rất cần thiết và có

ý nghĩa lớn cho chúng ta phát triển một dạng cảm biến có thể đo nhanh,

độ nhạy cao và giá thành hợp lý để xác định salbutamol trong các mẫu nước tiểu hoặc thịt từ động vật nuôi

Trong đề xuất này chúng tôi xây dựng quy trình chế tạo cảm biến điện hóa có độ nhạy cao dựa trên hệ vật liệu nano-carbon nhằm phát hiện

salbutamol trong các mẫu thịt hoặc nước tiểu động vật nuôi

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu:

2.1: Mục tiêu:

- Chế tạo được đầu đo cảm biến xác định salbutamol từ hệ vật liệu nano-carbon

- Hoàn chỉnh qui trình chế tạo đầu đo cảm biến salbutamol và tối ưu hóa hoạt động của đầu đo cảm biến này trong môi trường phòng thí nghiệm và môi trường thực (thịt lợn, nước tiểu lợn)

2.2: Phạm vi nghiên cứu:

- Khảo sát và tối ưu hóa ảnh hưởng của các điều kiện lên khả năng chế tạo của vật liệu nano-carbon như nồng độ các muối, acid, dòng điện, nhiệt

độ và thời gian

3

- Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên cấu trúc vi mô (nano-structure)

và cấu trúc vĩ mô (micro-structure) của hệ nano-carbon được nghiên cứu bằng phương pháp đo SEM và TEM Từ đó đưa ra giải pháp để thu được cấu trúc vật liệu tối ưu theo yêu cầu như có tính chất điện hóa tốt và bền vững về cấu trúc

- Nghiên cứu thành phần (EDX), cấu trúc (XRD) và liên kết (FTIR) của

hệ vật liệu nano-carbon

- Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu nano-carbon trong các môi trường chất điện li như kiềm, trung tính bằng các phương pháp điện hóa như quét phân cực vòng (cyclic voltammetry), phép đo dòng thời gian (amperometry)

- Hoàn chỉnh quy trình chế tạo đầu đo cảm biến salbutamol từ hệ kim loại xốp đa tầng và đánh giá khả năng hoạt động của đầu đo này trong môi trường phòng thí nghiệm Đánh giá được khoảng hoạt động (trong xác định salbutamol) và xây dựng đường chuẩn với salbutamol trên cơ sở các kĩ thuật phân tích điện hóa như phép đo dòng thời gian (amperometry) hoặc phương pháp quét phân cực vòng (cyclic voltammetry)

3 Tổng quan tài liệu:

Salbutamol là một chất trong họ -agonist, là các phenyl ethanolamines

với các nhóm chức khác nhau trên vòng thơm và nhóm amino Những chất này có hoạt tính sinh học mạnh nên được ứng dụng trong dược học [1] Salbutamol, có công thức cấu tạo như Hình 1, thường được sử dụng trong điều trị các chứng shock, hen suyễn và một số bệnh khác trong y tế [2] Bởi

vì khả năng làm tăng tỉ lệ nạc trên mỡ của gia súc do chức năng ức chế việc tổng hợp mỡ nên salbutamol thường được bổ sung trái phép vào trong thức

ăn của gia súc, gia cầm nhằm tăng sản lượng và phẩm chất thịt Nếu con người tiêu thụ các loại thịt được lấy từ gia súc, gia cầm ăn salbutamol có thể gây ra các nguy cơ như cao huyết áp, tăng tốc độ nhịp tim bất thường, triệu chứng động mạnh vành v.v từ đó gây ra nguy hiểm đến sức khỏe và tính

4

mạng của con người [3] Do vậy việc xây dựng các phương pháp để xác định nhằm kiểm soát salbutamol rất quan trọng trong công nghiệp thức ăn

và dược phẩm – kiểm định thuốc

Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để xác định salbutamol như kĩ thuật miễn dịch [4], điện di mao quản [5], cộng hưởng plasmon bề mặt [6], sắc ký lỏng [7] hay sắc ký lỏng hiệu năng cao [8] Các phương pháp này đều cho thấy khả năng phân tích salbutamol và các -agonist với độ nhay cao Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi phải có các trang thiết

bị đắt tiền, quy trình phân tích phức tạp và đòi hỏi người sử dụng phải được đào tạo chuyên sâu Trong khi đó phương pháp điện hóa là một cách tiếp cận với giá thành rẻ hơn và đơn giản hơn những phương pháp kể trên

H nh 1 Cấu trúc của salbutamol

Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi phát triển một phương pháp điện hóa dựa trên điện cực graphite được hoạt hóa và quy trình đơn giản để có thể phân tích được salbutamol có độ nhạy cao nhằm hướng tới ứng dụng trong việc phân tích dược phẩm và chất cấm trong thức ăn

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

4.1 Tiếp cận hệ thống:

Việc hệ thống hóa được các vấn đề đã được nghiên cứu của nhóm cũng như các thành quả của các nhà khoa học trên thế giới là một yếu tố rất quan trọng của đề tài Trên cơ sở thừa hưởng các kết quả đạt được từ các nghiên cứu trước đây, chúng tôi sẽ tiến hành phân tích các kết quả, hệ thống hóa các kết quả nhận được, từ đó thu thập thông tin và so sánh với các kết quả mới được công bố gần nhất trong nước và trên thế giới Cuối cùng là lựa

5

chọn một số công nghệ phù hợp để triển khai vấn đề nghiên cứu, tránh lặp lại những nghiên cứu không cần thiết nhằm giảm thiểu thời gian và công sức

4.2 Tiếp cận từ thực trạng nghiên cứu:

Việc tiến hành các nghiên cứu từ tổng hợp vật liệu cho đến chế tạo linh kiện cảm biến sử dụng vật liệu cấu trúc nano là một vấn đề rất khó và đầy thử thách ở một nước còn thiếu nhiều thiết bị công nghệ như ở Việt Nam Từ thực trạng nghiên cứu cho thấy việc chế tạo ra được 01 thiết bị

(device) cụ thể đòi hỏi một khối lượng công việc rất lớn, bao gồm nhiều giai

đoạn từ nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu, tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu, cho đến thiết kế, tính toán và mô phỏng cấu trúc linh kiện, từ đó lựa chọn công nghệ chế tạo phù hợp Kế đến là chế tạo thử linh kiện, đo đạc kiểm tra các thông số hoạt động của cảm biến Mỗi bước trong quá trình nghiên cứu chế tạo đều đòi hỏi phải được thực hiện một cách cẩn thận, thậm chí lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy cao Tất cả các kiến thức chỉ có thể đúc kết từ thực tế nghiên cứu, cũng như rút kinh nghiệm sau mỗi lần làm thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu:

1.Phương pháp chế tạo vật liệu

Với mục tiêu tạo ra những vật liệu nano-carbon có tính chất điện hóa tốt

từ các phương pháp đơn giản và phù hợp Chúng tôi sử dụng phương pháp phù hợp như điện hóa và hóa học cho việc chế tạo vật liệu nano-carbon Đây là phương pháp phù hợp trong điều kiện cơ sở vật chất ở Việt Nam hơn là sử dụng các phương pháp phức tạp khác (như bốc bay chân không, dùng template v.v.)

2.Khảo sát tính chất của vật liệu

6

Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên hình dáng, cấu trúc và tính chất của vật nano-carbon sẽ được nghiên cứu bằng các phương pháp như SEM, TEM, XRD, FTIR v.v nhằm điều khiển chế tạo những vật liệu nano này

có kích thước và hình dạng tối ưu cho cảm biến salbutamol Các tính chất điện hóa được tiến hành đo trên thiết bị đo điện hóa đa năng Auto-Lab

30

3.Phương pháp chế tạo cảm biến sinh học điện hóa và khảo sát độ nhạy của các cảm biến này

Tính chất điện hóa, độ bền và độ nhạy ảnh hưởng rất lớn bởi hình dáng, cách sắp xếp của các vật liệu nano-carbon Chính vì vậy, việc sử dụng các quy trình khác nhau và tìm ra phương pháp thích hợp là điều rất quan trọng trong việc tạo ra cảm biến sinh học điện hóa tốt Trong số các phương pháp này, phương pháp phủ điện hóa thường cho kết quả tốt hơn

vì nó có thể tạo ra lớp phủ có độ bám dính tốt, độ ổn định và khả năng hoạt động cao Độ nhạy của cảm biến thu được được khảo sát thông qua các phương pháp điện hóa truyền thống như quét phân cực vòng (CV) và quét xung vi phân (DPV) trên các hệ oxi hóa – khử tiêu chuẩn fero-feri

và trên đối tượng nghiên cứu (salbutamol)

5 Nội dung và kết quả nghiên cứu:

5.1.Nội dung:

5.1.1: Hóa chất:

Salbutamol (SB) được mua từ Sigma-aldrich (Mỹ)

Chất rắn Na2HPO4.2H2O - tkhh

Chất rắn KH2PO4 - tkhh

NaCL tkhh

KCL tkhh

HCL đặc

7

Cồn etylic 96%

Axeton - tkhh

Điện cực Graphite( PGE) hình trụ, dạng que đk: 0,5mm; dài: 70mm NH4)2SO4 0,1M

Hỗn hợp K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6] tỉ lệ 1:1

Nước cất 2 lần

5.1.2: Dụng cụ:

Cốc mỏ chuyên dụng 50ml: 2 chiếc

kẹp càng cua: 2 chiếc

Con từ: 1 con

Máy khuấy từ: 1 chiếc

Thiết bị đo điện hóa

panh kẹp: 1 chiếc

Bình định mức: 500ml, 100ml, 25ml

Ống đựng mẫu: 1ml, 2ml

Micro pipet: 20micr, 200micro, 1000micro

Cân phân tích độ chính xác 0,0001g

Bình tia nước cất

5.1.3: Quy trình phân tích:

- Biến tính điện cực graphite

Điện cực graphite (kí hiệu là PGE) được làm sạch bằng cách rung siêu âm mỗi lần 5 phút lần lượt trong nước, acetone và ethanol để loại bỏ hết bụi bẩn

và dầu mỡ hoặc các chất hấp phụ khác Sau khi được làm sạch thì điện cực được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng, sau đó chúng được cho vào trong lọ

có nắp đậy kín nhằm bảo quản cho đến khi sử dụng Điện cực PGE được hoạt hóa bề mặt bằng phương pháp điện hóa với điều kiện: Thế áp vào 8,0 V

M[9] Điện cực PGE sau khi hoạt hóa (kí hiệu a-PGE) sẽ được rửa sạch bằng nước cất và để khô tự nhiên tại nhiệt độ phòng

8

- Quy tr nh phân tích salbutamol

SB được hòa tan trong nước cất hai lần tạo thành dung dịch gốc có nồng

độ 10 mM Dung dịch đệm phosphate (PBS) có nồng độ 10 mM tạo thành từ muối Na2HPO4 và NaH2PO4 có pH là 7.4 được sử làm dung dịch chất điện li trong suốt quá trình nghiên cứu này Các hóa chất khác được sử dụng đều ở

độ tinh khiết phân tích Tất cả các dung dịch dung trong nghiên cứu này được pha trong nước cất hai lần

Dung dịch PBS, pH 7,4 (10 mM) được sử dụng làm chất điện li trong

quá trình nghiên cứu xác định salbutamol.Cân 30ml dung dịch PBS,pH 7,4 trên cân phân tích vào cốc mỏ chuyên dụng 50 ml,đặt cốc trên máy khuấy từ

và lắp hệ đo vào cốc mỏ đang chứa dung dịch PBS,pH 7,4 thông qua 1 nắp đậy có khoan sẵn lỗ để cắm các điện cực gồm có điện cực so sánh, điện cực đối, điện cực làm việc Salbutamol được đo trên điện cực PGE và 1-PGE bằng phương pháp quét phân cực vòng (CV) tốc độ quét 50 mV.s-1

khoảng thế từ 0 – 0,8 V hoặc bằng phương pháp xung vi phân (DPV) với bước thế là

10 mV, biên độ là 5 mV, khoảng thế từ 0,3 – 0,8 V với nồng độ SB khác nhau từ 1,3,5,7,10,15,20,30,40µM

Tiến hành đo CVs của điện cực a-PGE trong PBS có chứa 20µM với tốc

độ quyét khác nhau từ 10,20,30,50,70,100 và 150mV.s-1

Tiến hành đo CVs với tốc độ quyét 50mV.s-1 và khoảng thế từ 0 – 0,8V của điện cực PGE và a- PGE với 1mM của hỗn hợp

K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6] (1:1) trong môi trường PBS để đánh giá tính chất điện hóa của điện cực PGE và a- PGE

5.2: Kết quả và thảo luận:

5.2.1: Đặc trưng của điện cực PGE và a-PGE

Để đánh giá tính chất điện hóa của điện cực PGE và a-PGE thì dung dịch 1 mM của hỗn hợp K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6] (1:1) trong môi trường PBS được sử dụng để làm tiêu chuẩn [10] Đường CVs của 2 điện cực PGE

và a-PGE trong dung dịch 1 mM của hỗn hợp K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6]

9

(1:1) trong môi trường PBS được thể hiện trên Hình 2 Khoảng cách giữa hai đỉnh peak (E) của quá trình oxi hóa khử điện hóa (phương trình 1) có giá trị là ~600 mV và ~110 mV trên điện cực PGE và a-PGE Giá trị của E như một thước đo về tốc độ trao đổi electron trên điện cực [10], giá trị E nhỏ hơn thể hiện khả năng trao đổi electron tốt hơn hay điện trở trong quá trình trao đổi electron trên bề mặt điện cực bé hơn

(1)

PGE a-PGE

Thế (V)

H nh 2 Đường cong phân cực vòng (CV) của điện cực PGE và a-PGE trong

Từ đó thấy rằng điện cực a-PGE có khả năng trao đổi electron tốt hơn nhiều

so với điện cực PGE Ngoài ra, ta còn thấy cường độ dòng điện trong quá trình oxi khử của cặp K4[Fe(CN)6]/K3[Fe(CN)6] trên điện cực a-PGE (22,46

A) lớn hơn 59,1 lần so giá trị này trên điện cực PGE (0,38 A) Kết quả này cho thấy quá trình hoạt hóa điện cực PGE trong môi trường (NH4)2SO40,1 M có hiệu quả tốt, nâng cao khả năng trao đổi electron và diện tích bề mặt hoạt động của điện cực

5.2.2 Đặc tính điện hóa của Salbutamol trên điện cực PGE và a-PGE

10

ii ii-SB

i i-SB

a

Thế (V)

i-SB i

b

Thế (V)

H nh 3 a) Đường CVs của điện cực PGE và điện cực a-PGE trong đệm PBS

Hình 3a thể hiện đường CVs của điện cực PGE và điện cực a-PGE trong đệm PBS (i, ii) và trong đệm PBS có chứa 20 M salbutamol (i-SB, ii-SB) Kết quả cho thấy trên điện cực PGE khi có mặt 20 M SB cho 1 một

11

peak tại vị trí thế khá lớn ~ 0,7 V với giá trị cường độ dòng 2,38 A, trong khi trên điện cực a-PGE giá trị cường độ dòng là 14,6 A (6,1 lần lớn hơn) với giá trị thế của đỉnh peak là ~0,61 V Điều này chứng tỏ quá trình oxi hóa của SB trên điện cực PGE diễn ra chậm và yêu cầu một quá thế lớn hơn so với quá trình này trên điện cực PGE Sự hoạt động hơn của điện cực a-PGE so với điện cực a-PGE trong quá trình oxi hóa SB có thể được giải thích

là do điện cực a-PGE sau khi được hoạt hóa có diện tích bề mặt lớn hơn, xuất hiện thêm nhiều vị trí với khả năng tăng cường trao đổi electron, đây chính là những làm thuận lợi thêm cho quá trình oxi hóa SB

5.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ quét lên quá trình oxi hóa của SB trên điện cực a-PGE

a

Thế (V)